Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА В ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМИКИ

  Главная      Учебники - Радиотехника     Технология керамических радио- электронных материалов

 поиск по сайту           правообладателям

    

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

содержание   ..  1  2  3  4  5  6  7  8  9  10    ..

 

 

Глава 2. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКАЯ МЕХАНИКА В ТЕХНОЛОГИИ КЕРАМИКИ

2.1. ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Физико-химическая механика дисперсных систем и материалов (ФХМ) — новая пограничная область науки и техники, объединяющая вопросы реологии, физики твердого тела, химии и механики материалов. Она зародилась на основе изучения поверхностных явлений на границах раздела дисперсных фаз и дисперсионных сред, развивается на базе технологии гетерогенных процессов. ФХМ устанавливает зависимости и закономерности формирования механических свойств тел от их состава, структуры, температуры, адсорбционного и химического взаимодействия с окружающей средой. Главная задача этой науки состоит в использовании совместного действия физических, химических и механических факторов для регулирования и оптимизации технологических процессов получения дисперсных материалов с заданными свойствами.

С позиций ФХМ синтез новых материалов происходит на основе механизмов двух процессов: деформации и разрушения материалов; образования новых структур. Это диаметрально противоположные процессы. В первом случае при обработке материалов следует понижать сопротивление деформации и разрушать их. Это процессы дробления, измельчения, смешения, обработки давлением, резанием и т. п. В другом, наоборот, создаются дисперсные материалы с помощью формования и спекания частиц, первоначально не связанных между собой. Таким образом, ФХМ можно определить как науку о разрушении материалов и образовании новых твердых тел на принципе упрочнение—через разрушение. Для получения прочного материала, будь то тонкая керамика, огнеупоры, металлокерамика или бетон, необходимо измельчить, равномерно перемешать, предельно уплотнить смесь с наименьшим количеством жидкой фазы и затем подвергнуть термообработке. Следовательно, ФХМ — это составная часть общего материаловедения, науки о свойствах, методах исследования, получения и применения материалов.

В основу ФХМ легли выдающиеся исследования академика П. А. Ребиндера {6, 17, 18]. Он обосновал принципиальные положения: для проведения процессов обработки и формирования материалов недостаточно только механических воздействий; важны поверхностные физико-химические явления (адсорбция, смачивание, адгезия, электрохимические процессы, химические реакции и т. п.); дисперсность материалов рассматривается как универсальное состояние материалов в природе и различных технологических процессах. Такой подход позволил развить представление о взаимодействиях в дисперсных структурах, создать теоретические основы регулирования, интенсификации и оптимизации гетерогенных процессов получения материалов. Фундаментальными ФХМ являются процессы адсорбционного понижения прочности на основе эффекта Ребиндера и учение о ПАВ.

Работы по ФХМ уже дали возможность развить и усовершенствовать процессы измельчения твердых веществ, формирования металлокерамических тел, разработать ряд новых направлений в использовании ПАВ, оптимизировать технологические процессы изготовления материалов с необходимыми свойствами. Применение методов ФХМ при изучении деформационных процессов в керамических материалах позволяет не только исследовать физическую сущность явлений и процессов обработки и формования масс, но и теоретически обосновать методы конструирования технологического оборудования. В [10, 29, 36] описаны первые отечественные опыты по применению методов и концепций ФХМ при разработке оборудования для смешивания порошков, создании рациональных конструкций машин для пресссования пластических масс на основе изучения их коагуляционно-кристаллизационных структур.

Основной объект изучения ФХМ — дисперсные структуры, лежащие в основе процессов образования керамических материалов, которые можно рассматривать как совокупность операций по получению таких структур. Методами ФХМ изучаются: форма и размеры частиц материалов, теплота смачивания; Поверхностная энергия; гидрофильно-гидрофобные характеристики; реологические и деформационные показатели дисперсий; кинетика и динамика процессов образования материалов в зависимости от концентраций, времени, температуры И внешних воздействий. Дисперсные структуры, которыми оперирует ФХМ, Относятся к коллоидно-химическим системам, размеры частиц которых 10— 0,1 мкм и менее. Это в полной мере можно отнести к исходным компонентам. Предварительно синтезированным композициям, пресс-порошкам, суспензиям, Шликерам, отформованным и спеченным изделиям из керамики.

Молекулярно-кинетические процессы в дисперсных системах характеризуйся явлениями типа адсорбции, хемосорбции, диффузии, частичной растворимости, конденсации в капиллярах и т. п. Помимо сил химического сродства в таких системах действуют слабые силы Ван-дер-Ваальса, водородные связи и Силы кулоновского притяжения. Реология изучает деформационные свойства и Течение реальных тел или неупругое их поведение. Реологические явления постоянно сопровождают технологический процесс изготовления керамических материалов.

Свободная поверхностная энергия дисперсных частиц возникает в результате нескомпенсированности молекулярных сил и меньшего координационного числа элементарных частиц поверхностного слоя по сравнению с находящимися в объеме кристалла. Особое значение здесь имеют пограничные слои, молекулы которых обладают избыточной (свободной) энергией (рис. 2.1). Ее относят к единице поверхности и получают значение удельной поверхностной энергии, которая и определяет все виды взаимодействия частиц в дисперсной системе.

Адсорбция (физическая)—одно из главных явлений и движущая сила многих превращений в дисперсных системах, процесс поглощения поверхностью компонентов из газовой или жидкой смеси. При этом повышается концентрация (сгущение) адсорбированного вещества на поверхности за счет межмолекуляр-ного притяжения. Адсорбция сопровождается выделением тепла (экзотермический эффект) и уменьшает свободную энергию вещества При химической адсорбции происходит частичное химическое взаимодействие между адсорбентом и адсорбатом — это хемосорбция. Она протекает с поглощением тепла (эндотермический эффект) и необратима, в то время как физическая адсорбция — обратимый процесс (десорбция или отрицательная адсорбция).

Адсорбция электролитов не укладывается в рамки учения о молекулярной адсорбции, так как адсорбент может по-разному поглощать ионы, на которые распадаются молекулы электролита в растворе. Здесь может иметь место обменная адсорбция с образованием двойных электрических слоев. Это тонкий слой, образующийся на границе двух фаз из пространственно разделенных электрических зарядов противоположного знака. Такое разделение всегда сопровождается возникновением разности потенциалов Е — электрохимического потенциала.

Особо следует остановиться на состоянии и связи воды в дисперсных системах, так как вода является постоянным спутником материалов на протяжении всего технологического процесса и от ее связи с частицами во многом зависят
структуры и характеристики промежуточных полуфабрикатов. Известны четыре формы связи воды с дисперсными материалами:

свободная вода, захваченная структурой механически; адсорбционно-связанная вода — вследствие сродства поверхностей частиц с силами взаимодействия — вандерваальсовыми (0,4—4 кДж/моль) и водородными (20—28 кДж/моль). Такая вода лишена свободы и наибольшее взаимодействие проявляет при мономолекулярных слоях;

химически связанная вода удерживается поверхностью твердого тела за счет более мощных химических сил (40—400 кДж/моль) в виде гидроксильных ионов, гидратов и кристаллогидратов;

капиллярно-связанная вода, свойства которой определяются поверхностным натяжением и радиусом кривизны капилляра. При положительном смачивании давление пара над мениском жидкости будет всегда положительное. Такая вода может быть в порах материала.

Связанная вода существенно отличается по своим свойствам от свободной: плотность может возрастать до 1,2 (1,4) r/см3, уменьшается теплоемкость, диэлектрическая проницаемость. Переход воды из связанного состояния в свободное равносилен фазовому переходу. Связанная вода, отнесенная к единице кассы, характеризует гидрофильность вещества.